Abstrak  - Dalam    sistem  saluran    terdapat  banyak penggunaan elbow dan  assesoris  lain  yang  akan menyebabkan  terjadinya  kerugian  tekanan  pada aliran.  Hal  tersebut    disebabkan  karena  adanya perubahan  arah  aliran  fluida  yang  melalui  saluran tersebut. Nilai penurunan tekanan ( pressure drop ) pada aliran  yang  melalui  suattu  saluran  dipengaruhi  oleh besarnya  laju  aliran  pada inlet ,  serta  radius kelengkungan  dari elbow yang  akan  menyebabkan aliran sekunder kemudian timbul aliran vortex . Hal ini berakibat  kerugian  energi ( headloss ) yang lebih besar. Peletakan  bodi  pengganggu  dan  pemasangan elbow dimaksudkan untuk melihat fenomena aliran di sekitar bodi pengganggu
Model  uji  yang  akan  digunakan  di  dalam  studi  ini berupa rectangular duct yang  pada  bagian inlet terpasang elbow 90 o dengan damper yang  diletakkan pada jarak x/D h =2. Fluida kerjanya adalah udara yang mengalir  secara incompressible,  viscous,  steady dan mempunyai  profil  kecepatan uniform pada  sisi inlet dengan dua variasi bilangan Reynolds yaitu 2.05 x 10 5 dan  8.2  x  10 5 serta  empat  pengaturan  sudut  bodi pengganggu  0 o ,  10 o ,  20 o ,  dan  30 o Penelitian  dilakukan secara    numerik  3D    menggunakan  piranti  lunak Computation  Fluid  Dynamics (CFD)  komersial  dengan model turbulensi k-ε Realizable .
Hasil  studi  ini  diperoleh  bahwa  proses recovery aliran  dipengaruhi  oleh  sudut  bukaan damper ,  untuk variasi  sudut  bukaan damper 30°.  Dengan  sudut bukaan  30°  terjadi  percepatan  aliran  pada  daerah dekat dinding yang berakibat bertambahnya momentum  aliran  sehingga  mempercepat  proses recovery aliran dan aliran sekunder pada daerah dekat dinding dapat teratasi.
Kata  Kunci — Ducting,  elbow,  pressure  drop, aliran sekunder , head loss, vortex, damper

## I. PENDAHULUAN
ARINGAN  perpipaan  merupakan  instalasi  yang sangat memegang peranan penting guna mendukung  sebagian  besar  proses  yang  ada  di industri, seperti yang kita ketahui pada pembangkit listrik, kilang  minyak,  distribusi  gas  alam,  system  pengondisian udara,  dan  lain-lain.  Dalam  system  perpipaan  selalu  ada komponen yang disebut fitting , yang mempunyai koefisien losses dan  menyebabkan pressure  drop sepanjang  aliran. Pada  aplikasi  tertentu  diperlukan  suatu  system  distribusi
guna mengalirkan fluida dari suatu tempat ke tempat  lain. Sepanjang  system  tersebut  terdapat  saluran  pembelokan ( elbow), semakin banyak belokan sepanjang saluran maka akan  timbul  kerugian  energi  yang  semakin  besar  pula digunakan untuk mengalirkan fluida, juga guna menghendaki  adanya  pengaturan  laju  aliran  massa,  maka aliran  tersebut  pasti  akan  melewati  suatu  gangguan  yang mungkin  dapat  menambah  kerugian  energi,  artinya diperlukan  energi  yang  besar  untuk  menanggulangi  setiap kerugian yang terjadi di sepanjang instalasi.
Upaya  dalam  mengamati  fenomena  aliran  pada  saluran berbentuk octogonal elbow 90 o dengan radius ratio (r m /D h ) 1.875 sudah  dilakukan  oleh [1] .  Penelitian  ini  dilakukan dengan penambahan satu buah guide vane dan tanpa guide vane .  Hasil  yang  didapatkan  pada  studi  eksperimen  dan numerik  didapatkan  profil  kecepatan  maksimum elbow berada  pada  sisi inner yang  kemudian  bergeser  menuju outer seiring  dengan  semakin  besarnya x/Dh dan ΔCp antara inlet dan outlet  elbow secara  tidak  langsung menunjukkan koefisien  minor  losses (K)  pada elbow , dengan  semakin  kecilnya  nilai koefisien  minor maka semakin  kecil  juga  nilai headloss pada elbow tersebut. Demikian  juga  pada  peneliti [2] melakukan  eksperimen pada  pipa  lurus  yang  diganggu  oleh butterfly  valve .  Pipa tersebut  memiliki  diameter  0,3  m  dan  panjang  11D  . Pengambilan data dilakukan pada bilangan Reynolds yang bervariasi  rentangnya  5.0  ×  10 4 <  Re  <  10 6 ,  dilakukan dengan  tambahan  elbow  90 o dan butterfly  valve yang  di- setting kemiringan  0 o ( fully  open )  dan  30 o .  Hasil  yang didapat  melalui  grafik  profil  kecepatan  pada  pipa  lurus yang  terdapat valve bahwa  aliran  akan  mencapai  fully developed  lebih  awal  dari  pada  pipa  lurus  yang ditambahkan elbow , hal ini disebabkan karena pada elbow tersebut  sudah  terjadi  aliran  sekunder  sebelum  melalui valve.
Penelitian  yang  dilakukan [3] adalah  melakukan perbandingan  antara  hasil  simulasi  dan  ekperimen. Simulasi  ini  dilakukan  pada  Re  =  40000  menggunakan model  turbulen  RSM  ( Reynolds  Stress  Model )  dengan variasi  tiga  kerapatan mesh yaitu,  Vk I =  553  052,  Vk II = 1766 079, and Vk III = 1034 775, menghasilkan data berupa grafik  profil  kecepatan  untuk  lokasi  x/Dh  =  1.0  terdapat perbedaan signifikan pada masing-masing variasi kerapatan mesh dan  yang  mendekati  hasil  eksperimen yaitu pada jumlah mesh 1034 775.
Dari  beberapa  penelitian  di  atas  dilakukan  penelitian lebih  lanjut  tentang  karakteristik  aliran  melewati  saluran

## Simulasi Numerik Aliran Tiga Dimensi Melalui Rectangular Duct dengan Variasi Bukaan Damper
Edo Edgar Santosa Putra dan Wawan Aries Widodo Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : wawanaries@me.its.ac.id
J
seperti yang dilakukan [1] dan [3] yaitu saluran yang akan dipasang elbow dan damper pada  sisi inlet .  Penelitian dilakukan menggunakan metoda komputasi  pada bilangan Reynolds , 2.05×10 5 dan 8.2×10 5 damper diletakkan pada rasio jarak x/D h =2  dengan variasi bukaan damper 0 o , 10 o , 20 o ,  dan  30 o .  Hasil  yang  diamati  berupa  profil  kecepatan, dan visualisasi aliran
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  melakukan  simulasi numerik  aliran  melalui  saluran  udara rectangular yang tersusun  atas straight  channel  upstream , elbow ,  dan straight  channel  downstream yang  ditempatkan  sebuah damper, selanjutnya mengetahui  profil  kecepatan  pada setiap cross  section pada  posisi  setelah damper , mengetahui  profil  kecepatan  sebelum elbow ,  pada elbow , dan  setelah elbow ,  serta  memberi  gambaran  tentang visualisasi  aliran  pada  posisi  setiap  penampang  setelah damper.

## II. METODOLOGI PENELITIAN
Pada  bab  ini  akan  dibahas  mengenai  metode  penelitian secara  numerik  yang  akan  digunakan.  Metode  ini menggunakan    piranti  lunak  simulasi  CFD    komersial untuk  menganalisis karakteristik aliran tiga dimensi dalam rectangular  ducting dengan  variasi  sudut  bukaan damper 0 o , 10 o , 20 o , dan 30 o yang terletak pada daerah downstream setelah elbow x/Dh=2  dan  besar  kecepatan  pada  sisi  inlet 10 dan 40 m/s.
2.1. Geometri Ducting
Ducting pada  penelitian  ini  memiliki  penampang rectangular, dan  pada  bagian inlet terhubung elbow 90, kemudian terpasang juga bodi pengganggu berupa damper yang terletak pada jarak x/D h =2 sesudah elbow. Geometri ducting dan  penempatan damper diilustrasikan  oleh gambar  1.  Spesifikasi  dari domain pemodelan  ini  adalah sebagai berikut:
 Bentuk Penampang             : Rectangular
 Panjang downstream duct (L o ) : 6000 mm
 Panjang upstream duct (L i )       : 1800 mm
 Tinggi dan lebar (a x b) : 300 x 300 mm  Elbow Inner radius (r i ) : 300 mm
 Elbow Outer radius (r o ) : 600 mm
 Hydraulic diameter (D h ) : 300 mm
Gambar 1. Geometri Ducting

## 3.2.   Metode Numerik
Tabel 1. Kondisi batas dan setting awal pada metode numerik Pre-Processing Tipe Mesh Hexahedral-Map
Boundary Condition
Inlet : Velocity Inlet
Outlet : Outflow
Upstream Duct Downstream Duct Elbow Post-Processing Solver Pressure-Based Model Turbulen k-ε Realizable Material ρ = 1,225 kg/m 3 μ = 1,7894 x 10 -5 N.s/m 2 . Residual 10 -6 Initial Condition Velocity Inlet Velocity 10 m/s dan 40 m/s Operating Condition 1 atm
Untuk  mengetahui  geometri  domain  secara isometric dapat ditunjukkan melalui gambar 2.
Gambar 2. Domain pemodelan dan kondisi batas dari ducting
Nomenklatur :
1. Inlet
2. Upstream Straight Channel
3. Rectangular Elbow 90 o
4. Damper
5. Downstream Straight Channel
6. Outlet
2.3. Posisi Pengambilan Data pada Domain Benda Uji Mengacu dari gambar 3. menunjukkan posisi pengambilan  data  profil  kecepatan  pada  sisi downstream dan koefisien tekanan pada elbow .  Referensi  nol pada sisi downstream terletak  di  x/Dh=2.  Pengambilan  data  profil kecepatan sisi downstream diambil di posisi x/Dh= -1 dan x/Dh=1  s/d  x/Dh=15.  Pada elbow, data  diambil  di  posisi φ=0 o ; φ=30 o ; φ=60 o ; dan φ=90 o baik sisi inner maupun outer wal
III. ANALISA DAN PEMBAHASAN
3.1. Perbandingan Distribusi Profil Kecepatan Pada Sudut Kemiringan α=0 o dan 30 o (Re=2.05 ×10 5 )
Profil  Kecepatan  pada ducting dipengaruhi  oleh  sudut kemiringan damper sebagai  bodi  pengganggu  kemudian
Wall Aliran 1: Velocity Inlet 2 : Wall 3 : Wall 4 : Wall 5 : Wall 6 : Out Flow α
diamati  perkembangan  aliran  di  dalamnya.  Distribusi kecepatan  disajikan  dalam  bentuk kecepatan  tak berdimensi  ( u/U )  dimana u adalah  kecepatan  lokal  pada section tersebut  dan U merupakan  kecepatan  maksimum pada  section  yang  sama.  Berikut  ini  akan  dibahas perkembangan velocity profile setiap section sebagaimana yang  tertera  pada  gambar  4 . Penempatan  setiap cross section dapat dilihat pada gambar 3
Gambar 3. Penempatan posisi cross-section
Gambar  4 . Perkembangan velocity  profile dan  kontur  kecepatan sepanjang aliran untuk Re=2.05×10 5
Untuk  lebih  jelasnya,  dari  gambar  4  akan  dibahas penjelasan  analisa  tentang  bagaimana  perilaku  aliran  dua dimensi  dari upstream menuju downstream berupa  grafik velocity  profile dalam  bentuk  bilangan  tak  berdimensi yang bernilai dari nol sampai satu baik pada absis maupun ordinat.  Absis  pada  grafik  menunjukkan  posisi  titik dimana  nilai  Z/h=  0.5  adalah  posisi  yang  searah  dengan sisi inner  elbow ,  sedangkan  Z/h=  -0.5  adalah  posisi  yang searah  dengan  sisi outer  elbow .  Pemaparan  grafik perbandingan antara sudut bukaan 0 o dan 30° sebagaimana yang tertera pada gambar 5
Gambar  5.  Grafik velocity  profile masing-masing  posisi cross-section berdasarkan x/D h : a). 0 o ; b).90 o ; c).-1; d).0; e).1; f).2 ;g).3; h).10; i).15
Pada gambar 4. secara umum bentuk profil kecepatan di sepanjang  sisi upstream sampai downstream dijelaskan sebagai  berikut:  saat  memasuki elbow ,  profil  kecepatan sudah mengalami perkembangan sejauh 6Dh, seperti pada gambar  5.(a)  kecepatan  pada  sisi inner lebih  besar  dari pada sisi outer hal ini dipengaruhi oleh adanya perbedaan tekanan  antara  sisi inner dan outer bentuk  profil  ini  akan sama  sampai outlet  elbow (gambar  5.(b)).  Pada  jarak x/D h =-1 sebelum melewati damper terjadi kerugian energi kinetik  ( kinetic  energy  losses )  yang  disebabkan  oleh terbentuknya  aliran  sekunder  di  sisi inner  elbow sehingga terdapat blockage  effect seperti  pada  gambar  5.(c) akibatnya  sebagian  besar  aliran  akan  mengalir  pada  sisi outer sehingga  memiliki  kecepatan  yang  lebih  besar. Ketika aliran terganggu oleh laluan berupa damper seperti pada  gambar  5.(d),  terdapat  perbedaan  yang  signifikan pada  variasi  kedua  sudut damper, pada  sudut  30°  terjadi percepatan pada sisi inner wall , hal ini disebabkan karena adanya  penyempitan  luas  penampang,  namun  sebagian aliran  yang  mengalir  pada  sisi outer  wall memiliki kecepatan yang rendah. Sedangkan pada sudut 0 o sisi yang memiliki  kecepatan  lebih  tinggi  adalah  sisi outer , disebabkan pada sisi inner masih terdapat pengaruh aliran sekunder  sebelumnya.  Setelah  melalui damper sejauh  Dh terjadi recovery di  sisi centerline ,  terlihat  pada  gambar 5.(e); (f); (g). Selanjutnya pada jarak x/D h =10 s/d 15 kedua aliran tersebut sudah normal kembali .
3.2. Perbandingan Vektor Kecepatan Setiap Cross-Section Pada  Re  =  2.05×10 5 Dengan  Sudut  Kemiringan  α=0 o dan 30°
Pada  sub-bab  ini  akan  disampaikan  visualisasi  berupa vektor  kecepatan  di  setiap cross-section yang  posisinya telah  ditunjukkan  oleh  gambar  3 . Dari  visualisasi  aliran tersebut  akan  diperoleh  perbandingan  yang  lebih  jelas mengenai  perilaku  aliran  yang  terjadi  pada rectangular duct secara  tiga  dimensi.  Berikut  ini  hasil  dari  masing- masing
cross-section yang  diambil  gambar  vektor (a) (b)
(c)
(m /s )

## Damper 0 deg                                  Damper 30 deg
kecepatannya seperti yang terlihat pada gambar 6 dan 7
Gambar 6. Visualisasi vektor kecepatan di setiap cross-section untuk Re = 2.05×10 5 ; α=0 o
Berdasarkan  gambar  6  dan  7  dapat  terlihat  visualisasi aliran  dalam  bentuk  tiga  dimensi  dari inlet  elbow sampai x/D h =15.  Daerah outlet elbow di  sisi inner  wall dimana terjadi  perlambatan  disebabkan  oleh  terbentuknya  aliran sekunder,  sehingga  hal  ini  berpengaruh  terhadap velocity profile yang  terlihat  lebih  kecil  pada  sisi inner -nya. Setelah  aliran  mengalir  sejauh  10Dh  aliran  sekunder berangsur-angsur  kembali  mengikuti  aliran  utamanya,  hal ini  ditandai  dari  vektornya  berbentuk  titik,  artinya  vektor tersebut searah dengan sumbu x.
Pada  sudut  bukaan  30°  dijumpai  aliran  sekunder  pada sisi outer maupun inner di  posisi  x/D h =0  s/d  2,  hal  itu disebabkan  karena  efek  kerugian  energi  kinetik  di  sisi centerline yang mempengaruhi aliran didekat dindingnya.
Gambar 7. Visualisasi vektor kecepatan di setiap cross-section untuk Re = 2.05 ×10 5 ; α=30 o
3.3.  Perbandingan Distribusi Profil Kecepatan Pada Sudut Kemiringan α=0 o dan 30 o (Re=8.2×10 5 )
Berikut  ini  adalah  gambaran  umum velocity  profile beserta  kontur  kecepatan  yang  mewakili  besar  kecepatan sepanjang aliran seperti pada gambar 8
Gambar    8.  Perkembangan velocity  profile dan  kontur  kecepatan sepanjang aliran untuk Re=8.2×10 5
Setelah  itu  akan  dibahas  penjelasan  analisa  tentang bagaimana  perilaku  aliran  secara  dua  dimensi  dari upstream menuju downstream berupa  grafik velocity profile dalam  bentuk  bilangan  tak  berdimensi,  agar  lebih detail  dipaparkan  dalam  grafik  perbandingan  antara  sudut bukaan 0 o dan 30° sebagaimana yang tertera pada gambar 9.
Pada gambar 8 secara umum bentuk profil kecepatan di sepanjang  sisi upstream sampai downstream dijelaskan sebagai  berikut:  saat  memasuki elbow ,  profil  kecepatan sudah mengalami perkembangan sejauh 6Dh, seperti pada gambar  9.(a)  kecepatan  pada  sisi inner lebih  besar  dari pada sisi outer hal ini dipengaruhi oleh adanya perbedaan tekanan  antara  sisi inner dan outer bentuk  profil  ini  akan sama sampai outlet elbow (gambar 9.(b)).
(m /s )
Gambar  9.  Grafik velocity  profile pada  masing-masing  posisi cross- section berdasarkan  x/D h : a). 0 o ; b).90 o ; c).-1; d).0; e).1; f).2 ;g).3; h).10; i).15
Pada  jarak  x/D h =-1  sebelum  melewati damper terjadi kerugian  energi  kinetik  ( kinetic  energy  losses )  yang disebabkan oleh terbentuknya aliran sekunder di sisi inner elbow sehingga  terdapat blockage  effect seperti  pada gambar  9.(c)  akibatnya  sebagian  besar  aliran  akan mengalir  pada  sisi outer sehingga  memiliki  kecepatan yang  lebih  besar.  Ketika  aliran  terganggu  oleh  laluan berupa damper seperti  pada  gambar  9.(d),  terdapat perbedaan  yang  signifikan  pada  variasi  kedua  sudut damper, pada sudut 30° terjadi percepatan pada sisi inner wall ,  hal  ini  disebabkan  karena  adanya  penyempitan  luas penampang,  namun  sebagian  aliran  yang  mengalir  pada sisi outer  wall memiliki  kecepatan  yang  rendah. Sedangkan  pada  sudut  0 o sisi  yang  memiliki  kecepatan lebih  tinggi  adalah  sisi outer ,  disebabkan  pada  sisi inner masih  terdapat  pengaruh  aliran  sekunder  sebelumnya. Setelah  melalui damper sejauh  Dh  terjadi recovery di  sisi centerline , terlihat pada gambar 9.(e); (f); (g). Selanjutnya pada  jarak  x/D h =10  s/d  15  kedua  aliran  tersebut  sudah normal kembali
3.4.  Perbandingan Vektor Kecepatan Setiap Cross-Section Pada  Re  =  8.2×10 5 Dengan  Sudut  Kemiringan  α=0 o dan 30°
Penjelasan  tentang  terbentuknya  aliran  sekunder  pada penampang  tertentu  akan  dipaparkan  lebih  jelas  pada pembahasan di sub-bab ini melalui gambar 10 dan 11.
Gambar 10. Visualisasi vektor kecepatan di setiap cross-section untuk Re = 8.2 × 10 5 ; α=0 o
Gambar 11. Visualisasi vektor kecepatan di setiap cross-section untuk Re = 8.2 x 10 5 ; α=30 o
Berdasarkan gambar 10 dan 11 dapat terlihat visualisasi aliran  dalam  bentuk  tiga  dimensi  dari inlet  elbow sampai x/D h =15.  Daerah outlet elbow di  sisi inner  wall dimana terjadi  perlambatan  disebabkan  oleh  terbentuknya  aliran sekunder,  sehingga  hal  ini  berpengaruh  terhadap velocity profile yang  terlihat  lebih  kecil  pada  sisi inner -nya. Setelah  aliran  mengalir  sejauh  10Dh  aliran  sekunder berangsur-angsur  kembali  mengikuti  aliran  utamanya,  hal ini  ditandai  dari  vektornya  berbentuk  titik,  artinya  vektor tersebut  searah  dengan  sumbu  x.  Pada  sudut  bukaan  30° dijumpai  aliran  sekunder  pada  sisi outer maupun inner di posisi  x/D h =0  s/d  2,  hal  itu  disebabkan  karena  efek kerugian  energi kinetik di  sisi centerline yang mempengaruhi aliran didekat dindingnya.

## IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari  hasil  penelitian  yang  telah  dibahas    sebelumnya maka dapat diambil kesimpulan meliputi sebagai berikut :
Damper 0 deg                                  Damper 30 deg
1. Adanya perlambatan aliran di daerah yang menghubungkan upstream dan downstream sesaat sebelum  melalui damper untuk  semua  variasi  sudut, hal  ini  disebabkan  adanya blockage  effect akibat terbentuknya  aliran  sekunder  pada  sisi inner  wall dekat  dinding,  daerah  ini  memiliki  momentum  yang rendah.
2. Tidak  ada  pengaruh  yang  signifikan  pada  variasi kecepatan terhadap proses recovery aliran, melainkan proses recovery aliran  sangat  dipengaruhi  variasi sudut bukaan damper 0 o , 10 o , 20 o , 30 o 3. Pembentukan  aliran  sekunder  pada  sudut  bukaan damper 0 o hanya  terjadi  pada  sisi inner  wall , sedangkan  pada  sudut  bukaan damper 30°  aliran sekunder  terbentuk  pada  sisi inner maupun outer wall . 4. Pada  variasi  sudut  bukaan damper 0 o memiliki variasi range kecepatan  yang  paling  rendah, sedangkan sudut bukaan damper 30° memiliki variasi range  kecepatan  yang  paling  tinggi,  hal  ini disebabkan  penyempitan  luas  penampang  di  daerah sekitar damper ,  dimana  di  daerah  tersebut  terjadi percepatan aliran.
5. Sudut  bukaan damper 30°  merupakan  sudut  yang paling  efektif  untuk  mempercepat  proses recovery aliran  dan  menanggulangi  timbulnya  aliran  sekunder yang terletak di dekat dinding.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Danbon,  F  dan  Solliec,  C.  2000.”  Aerodynamic  Torque  of  a Butterfly  Valve-Influence  of  an  Elbow  on  the  Time-Mean  and Instantaneous  Aerodynamic  Torque.”  Nantes:  Ecole  des  Mines  de Nantes, Dèpartement Systémes.
[2] Zaldhy  L.  P.  P,  Louis.  2015.  “Studi  Numerik  Karakteristik  Aliran Melalui  Modified  Octagonal  U-Bend Dengan  Dan  Tanpa  Guide
Vane”  Jurusan Teknik Mesin : ITS
[3] Rup, K., dan Sarna, P. 2011.“Analysis of Turbulent Flow Through a Square-Sectioned  Duct  with  Installed  90-degree  Elbow ”. Cracow: Elsevier